摘要
日益增长的能源需求和化石燃料的迅速枯竭，引发了人们对替代能源的广泛寻求，以促进社会的可持续发展。氢气（H2）是一种环保且经济的可持续能源，其能量密度远高于其他燃料（如汽油、煤炭），被广泛认为是未来化石燃料的最佳替代品。电化学分解水被认为是高效、清洁生产超纯H2的最有前景的策略之一。钴元素不仅地球储量多，价格低廉而且化合价态较丰富，能以多种化合物的形式稳定存在。因此，开发钴基金属化合物对于电解水制氢技术的规模化应用具有重要的意义。本论文通过界面工程等有效策略构筑了钴基双金属纳米阵列电催化剂，通过SEM、TEM、HRTEM、XRD以及XPS等一系列表征对所制备的催化剂的微观形貌和表面元素组成进行分析，并对其电化学性能和电催化反应机理做进一步探究。具体研究内容如下： 1.以三维多孔状的泡沫镍（NF）为基底，通过简单的水热法原位生长出前驱体CoMoO4纳米片阵列，随后在不同温度的氨气环境中进行氮化，制备出具有三维互联多孔状的CoMoNx/NF纳米片阵列电催化剂。通过SEM、TEM、HRTEM、XRD和XPS等对样品的形貌和组成进行表征分析，并在1M KOH溶液中对其电化学性能进行测试。结果表明，最佳氮化温度下形成的CoMoNx-500NSAs/NF电催化剂表现出良好的析氢（HER）和析氧（OER）活性，在10mA cm?2的电流密度下的过电位分别仅为91和231mV。此外，在两电极系统中，达到10mA cm?2的电流密度，CoMoNx-500NSAs/NF||CoMoNx-500NSAs/NF仅需要1.55V的低电池电压，这远优于许多其他报道的过渡金属氮化物电催化剂。三维互联纳米片阵列结构显著增加了活性表面积，提供了更多的活性位点。此外，Co2N和Mo2N之间的协同作用增强了电荷转移，从而进一步提高了电催化本征活性。 2.以泡沫镍为基底，通过水热和共沉淀法原位生长出由镍钴普鲁士蓝衍生物（NiCo-PBAs）与镍钴层状双氢氧化物（NiCo-LDHs）耦合形成的纳米阵列NiCo-LDH-PBA/NF，随后通过低温磷化反应将NiCo-LDH-PBA/NF转化为具有同质结界面结构的2D/3D-NiCoP/NF电催化剂。电化学测试结果表明该催化剂具有优异的HER活性，在1M KOH溶液中，仅在37mV的过电位下即可获得10mA cm?2的电流密度，远优于单组分催化剂2D-NiCoP/NF和3D-NiCoP/NF。独特的自支撑3D-on-2D纳米阵列同质结结构可以显著扩展电催化剂的表面积，进一步提供更多与电解液接触的活性位点，加快电荷转移，从而提高催化性能。 3.以泡沫镍为基底，通过水热法和共沉淀法成功制备了具有分层结构的NiCo NWs/Co-MOF/NF前驱体，随后通过低温硒化反应将其转化为具有丰富的强耦合界面的(Ni,Co)Se2/CoSe2/NF异质结构电催化剂。(Ni,Co)Se2和CoSe2之间强烈的电子相互作用促进了催化剂内部稳定的电荷转移，调节了吉布斯自由能，并为催化反应提供了大量活性位点。电化学测试结果表明该催化剂在电流密度为10mA cm?2时的HER、OER过电位以及两电极全解水电池电压分别仅为65mV、255mV和1.56V，优于许多以前报道的过渡金属硒化物。
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